import java.util.Stack;

public class MergeSort {
    /**
     * 归并排序非递归实现
     * 归并排序的思想就是:分而治之*/
    public static void mergeSortDemo(int[] array) {
         int gap = 1;
         /**
          * gap表示每组有几个元素
          * 因为每次都是两组两组之间进行比较,故i每次步进两组元素的位置*/
         while(gap<array.length) {
             for(int i = 0; i < array.length; i+=2*gap) {
                 int left = i ;
                 /**
                  * 注意:此处有数组越界风险
                  *     因为i恒小于array.length,故i不可能越界,可能越界的是mid 和 right
                  *     当i达到最大值时,其必然会越界,故我们应当在赋值后增加判断语句,当其值大于数组长度时,给其重新赋值*/
                 int mid = left+gap-1;
                 int right = mid+gap;
                 if(mid>=array.length) {
                     mid = array.length-1;
                 }
                 if(right>=array.length) {
                     right = array.length-1;
                 }
                 //确定每次比较的left right mid 之后,即可调用merge方法进行排序
                 merge(array,left,right,mid);
             }
             gap*=2;
         }
    }
    /**
     * 归并排序递归实现:
     * */
    public static void mergeSort(int[] array) {
        mergeSortFun(array,0,array.length-1);
    }
    private static void mergeSortFun(int[] array,int left, int right) {
        if(left>=right) {
            return;
        }
        int mid = (left+right)/2;
        mergeSortFun(array,left,mid);
        mergeSortFun(array,mid+1,right);
        merge(array,left,right,mid);
    }

    private static void merge(int[] array, int left, int right, int mid) {
        //创建临时数组用于存放排序后的值
         int[] tmpArray = new int[right-left+1];
         int k = 0;
         int record = left;
         int rightFront = mid+1;
         while(left<=mid && rightFront<=right) {
             if(array[left]<array[rightFront]) {
                 tmpArray[k++] = array[left++];
             } else {
                 tmpArray[k++] = array[rightFront++];
             }
         }
        while(left<=mid) {
            tmpArray[k++] = array[left++];
        }
        while(rightFront<=right) {
            tmpArray[k++] = array[rightFront++];
        }
         //所有值排序后,将临时数组中的值拷贝到array中
        for(int i = 0; i < tmpArray.length; i++) {
            array[i+record] = tmpArray[i];
        }
    }
    public static void testRecursion(int[] array) {
        int[] tmpArray = array;
        long start = System.currentTimeMillis();
        mergeSort(tmpArray);
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("归并排序-递归实现:"+(end-start));
    }
    public static void testIteration(int[] array) {
        int[] tmpArray = array;
        long start = System.currentTimeMillis();
        mergeSortDemo(tmpArray);
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("归并排序-迭代实现:"+(end-start));
    }
}
//排序总复习
class Sort{
    /**
     * 直接插入排序*/
    public static void insertSort(int[] array) {
        for(int i = 1; i < array.length; i++) {
            int j = i-1;
            int tmp = array[i];
            while(j>=0) {
                if(array[j]>tmp) {
                    array[j+1] = array[j];
                } else {
                    break;
                }
                j--;
            }
            array[j+1] = tmp;
        }
    }

    //交换数组中的两个数据
    private static void swap(int[] array, int i, int j) {
        int tmp = array[i];
        array[i] = array[j];
        array[j] = tmp;
    }

    /**
     * 希尔排序
     * 时间复杂度：
     *      按照此种gap函数，时间复杂度介于O（N^1.3）~O(N^1.6)之中
     * 空间复杂度：
     *      O(1)
     * 稳定性：
     *      不稳定*/
    public static void shellSort(int[] array) {
        int gap = array.length;
        while(gap>1) {
            gap/=2;
            shell(array,gap);
        }
    }
    private static void shell(int[] array, int gap) {
        for(int i = 1; i < array.length; i+=gap) {
            int j = i-gap;
            int tmp = array[i];
            while(j>=0) {
                if(array[j]>tmp) {
                    array[j+gap] = array[j];
                } else {
                    break;
                }
                j-=gap;
            }
            array[j+gap] = tmp;
        }
    }

    /**
     * 直接选择排序
     * 时间复杂度：
     *      O（N^2）
     * 空间复杂度：
     *      O(1)
     * 稳定性：
     *      不稳定 */
    public static void selectSort(int[] array) {
        int left = 0;
        int right = array.length-1;
        while(left<right) {
            int maxValue = left;
            int minValue = left;
            for(int i = left; i <= right; i++) {
                if(array[i]<array[minValue]) {
                    minValue = i;
                }
                if(array[i]>array[maxValue]) {
                    maxValue = i;
                }
            }
            swap(array,left,minValue);
            if(left==maxValue) {
                maxValue = minValue;
            }
            swap(array,right,maxValue);
            left++;
            right--;
        }
    }

    /**
     * 堆排序
     * 时间复杂度：
     *      O（N*logN）
     * 空间复杂度：
     *      O（1）
     * 稳定性：
     *      不稳定
     * */
    public static void heapSort(int[] array) {
        createHeap(array);
        for(int end = array.length-1; end>0 ;end--) {
            swap(array,0,end);
            siftDown(array,0,end);
        }
    }

    //建堆
    private static void createHeap(int[] array) {
        int parent = (array.length-1-1)/2;
        while(parent>=0) {
            siftDown(array,parent,array.length);
            parent--;
        }
    }

    //向下调整
    private static void siftDown(int[] array, int parent,int len) {
        int child = parent*2+1;
        while(child<len) {
            if((child+1)<len && array[child+1]>array[child]) {
                child++;
            }
            if(array[parent]<array[child]) {
                swap(array,child,parent);
                parent = child;
                child = parent*2+1;
            } else {
                break;
            }
        }
    }

    /**
     * 冒泡排序
     * 时间复杂度：
     *      O（N^2）
     * 空间复杂度：
     *      O（1）
     * 稳定性：
     *      稳定*/
    public static void bubbleSort(int[] array) {
        for(int i = 0; i < array.length-1; i++) {
            for(int j = 0; j < array.length-1-i; j++) {
                if(array[j]>array[j+1]) {
                    swap(array,j,j+1);
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 快速排序-递归实现
     * 时间复杂度：
     *      最好的情况下 O（N*logN） 基准值每次都将待排序序列均等分成两份
     *      最坏的情况下 O（N^2）   顺序 或 逆序
     * 空间复杂度：
     *      最好的情况下 O（logN）
     *      最坏的情况下 O（N）
     * 稳定性：
     *      不稳定
     * */
    public static void quickSortRecursion(int[] array) {
        quickRecursion(array,0,array.length-1);
    }
    //为了保持接口的统一性，quick方法用于迭代
    private static void quickRecursion(int[] array, int left, int right) {
        if(left>=right) {
            return;
        }
        int pivot = partition(array,left,right);
        quickRecursion(array,left,pivot-1);
        quickRecursion(array,pivot+1,right);
    }
    //分割函数
    private static int partition(int[] array, int left, int right) {
        int index = left;
        int num = array[index];
        while(left<right) {
            while(left<right && array[right]>=num) {
                right--;
            }
            while(left<right && array[left]<=num) {
                left++;
            }
            swap(array,left,right);
        }
        swap(array,left,index);
        return left;
    }

    /**
     * 快速排序-迭代实现*/
    public static void quickSortIteration(int[] array) {
        int left = 0;
        int right = array.length-1;
        Stack<Integer> stack = new Stack<>();
        stack.push(left);
        stack.push(right);
        while(!stack.empty()) {
            right = stack.pop();
            left = stack.pop();
            int pivot = partition(array,left,right);
            //保证左右两边至少存在两个待排序元素
            if(right-1>pivot) {
                stack.push(pivot+1);
                stack.push(right);
            }
            if(left+1<pivot) {
                stack.push(left);
                stack.push(pivot-1);
            }
        }
    }

    //快速排序-三数取中法优化
    private static int middleNumber(int[] array, int left, int right) {
        int mid = (left+right)/2;
        if(array[left]<array[right]) {
            if(array[mid]<array[left]) {
                return left;
            } else if(array[mid]>array[right]) {
                return right;
            } else {
                return mid;
            }
        } else {
            if(array[mid]<array[right]) {
                return right;
            } else if(array[mid]>array[left]) {
                return left;
            } else {
                return mid;
            }
        }
    }

    /**
     * 快速排序递归优化-三数取中法*/
    public static void quickSortRecursionOptimize(int[] array) {
        quickRecursionOptimize(array,0,array.length-1);
    }

    private static void quickRecursionOptimize(int[] array, int left, int right) {
        if(left>=right) {
            return;
        }
        int index = middleNumber(array,left,right);
        swap(array,index,left);
        int pivot = partition(array,left,right);
        quickRecursionOptimize(array,left,pivot-1);
        quickRecursionOptimize(array,pivot+1,right);
    }

    /**
     * 快速排序递归优化-直接插入排序*/
    public static void quickSortRecursionInsertOptimize(int[] array) {
        quickRecursionInsertOptimize(array,0,array.length-1);
    }

    private static void quickRecursionInsertOptimize(int[] array, int left, int right) {
        if(left>=right) {
            return;
        }
        if((right-left)<=20) {
            //调用直接插入排序
            insertSortRange(array,left,right);
            return;
        }
        int index = middleNumber(array,left,right);
        swap(array,index,left);
        int pivot = partition(array,left,right);
        quickRecursionInsertOptimize(array,left,pivot-1);
        quickRecursionInsertOptimize(array,pivot+1,right);
    }

    //在指定范围内进行直接插入排序
    private static void insertSortRange(int[] array, int left, int right) {
        for(int i = left; i <= right; i++) {
            int tmp = array[i];
            int j = i-1;
            while(j>=left) {
                if(array[j]>tmp) {
                    array[j+1] = array[j];
                } else {
                    break;
                }
                j--;
            }
            array[j+1] = tmp;
        }
    }

    /**
     * 测速方法示例*/
    public static void testSpeed1(int[] array) {
        int[] test1 = array;
        long start1 = System.currentTimeMillis();
        quickSortRecursion(test1);
        long end1 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("快速排序无优化："+(end1-start1));
    }
    public static void testSpeed2(int[] array) {
        int[] test2 = array;
        long start2 = System.currentTimeMillis();
        quickSortRecursionInsertOptimize(test2);
        long end2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("快速排序三数取中+直接插入排序优化："+(end2-start2));
    }

    /**
     * 归并排序-递归实现
     * 时间复杂度：
     *      O(N*logN)
     * 空间复杂度：
     *      O(N)
     * 稳定性：
     *      稳定*/
    public static void mergeSort(int[] array) {
        mergeSortFunction(array,0,array.length-1);
    }

    private static void mergeSortFunction(int[] array, int left, int right) {
        if(left>=right) {
            return;
        }
        int mid = (left+right)/2;
        mergeSortFunction(array,left,mid);
        mergeSortFunction(array,mid+1,right);
        merge(array,left,right,mid);
    }

    private static void merge(int[] array, int left, int right, int mid) {
        int[] tmpArray = new int[right-left+1];
        int record = left;
        int k = 0;

        int rightFront = mid+1;
        while(left<=mid && rightFront<=right) {
            if(array[left]<array[rightFront]) {
                tmpArray[k++] = array[left++];
            } else {
                tmpArray[k++] = array[rightFront++];
            }
        }
        while(left<=mid) {
            tmpArray[k++] = array[left++];
        }
        while(rightFront<=right) {
            tmpArray[k++] = array[rightFront++];
        }

        for(int i = 0; i < tmpArray.length; i++) {
            array[i+record] = tmpArray[i];
        }
    }

    /**
     * 归并排序-迭代实现*/
    public static void mergeSortIteration(int[] array) {
        //归并排序需要每次两组进行排序，而gap代表每组的元素个数
        int gap = 1;
        while(gap<array.length) {
            for(int i = 0; i < array.length; i+=2*gap) {
                int left = i;
                int mid = left+gap-1;
                int right = mid+gap;
                if(mid>=array.length) {
                    mid = array.length-1;
                }
                if(right>=array.length) {
                    right = array.length-1;
                }
                merge(array,left,right,mid);
            }
            gap*=2;
        }
    }
}



